ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ Studijní program: B 2301 Strojní inženýrství Studijní zaměření: Stavba výrobních strojů a zařízení BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Příslušenství vyvrtávacích a frézovacích strojů. Frézovací zařízení finální převod, uložení vřetene. Autor: Matěj ŠTĚDRÝ Vedoucí práce: Doc. Ing. Zdeněk HUDEC, CSc. Akademický rok 2016/17

2

3

4 Prohlášení o autorství Předkládám tímto k posouzení a obhajobě bakalářskou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě strojní Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených v seznamu, který je součástí této bakalářské. V Plzni dne: podpis autora

5 ANOTAČNÍ LIST DIPLOMOVÉ PRÁCE AUTOR Příjmení Štědrý Jméno Matěj STUDIJNÍ OBOR B2301 Stavba výrobních strojů a zařízení VEDOUCÍ PRÁCE Příjmení (včetně titulů) Doc. Ing. Hudec, CSc. Jméno Zdeněk PRACOVIŠTĚ ZČU FST KKS Nehodící se DRUH PRÁCE DIPLOMOVÁ BAKALÁŘSKÁ škrtněte Příslušenství vyvrtávacích a frézovacích strojů. Frézovací NÁZEV PRÁCE zařízení finální převod, uložení vřetene FAKULTA strojní KATEDRA KKS ROK ODEVZD POČET STRAN (A4 a ekvivalentů A4) CELKEM 60 TEXTOVÁ ČÁST 54 GRAFICKÁ ČÁST 6 STRUČNÝ POPIS (MAX 10 ŘÁDEK) ZAMĚŘENÍ, TÉMA, CÍL POZNATKY A PŘÍNOSY Bakalářská práce obsahuje konstrukční návrh otočné části frézovacího zařízení. Je zde popsána problematika daného tématu. V praktické části zpracovány výpočty pro návrh frézovacího zařízení. Součástí návrhu je uložení vřeten a jejich pohonný mechanismus. KLÍČOVÁ SLOVA ZPRAVIDLA JEDNOSLOVNÉ POJMY, KTERÉ VYSTIHUJÍ PODSTATU PRÁCE frézovací zařízení, vřeteno, uložení, T-drážka

6 SUMMARY OF BACHELOR SHEET AUTHOR Surname Štědrý Name Matěj FIELD OF STUDY B2301 Design of Manufacturing Machines and Equipment SUPERVISOR Surname (Inclusive of Degrees) Doc. Ing. Hudec, CSc. Name Zdeněk INSTITUTION ZČU FST KKS Delete when not applicable Equipment of drilling and milling machines. Milling accessories final gear, mandrel seating. TYPE OF WORK DIPLOMA BACHELOR TITLE OF THE WORK FACULTY Mechanical Engineering DEPARTMENT Machine design SUBMITTED IN 2017 NUMBER OF PAGES (A4 and eg. A4) TOTALLY 60 TEXT PART 54 GRAPHICAL PART 6 BRIEF DESCRIPTION TOPIC, GOAL, RESULTS AND CONTRIBUTIONS Subject of bachelor thesis is to make mechanical design of a rotating part of milling accessories. At first, theoretical part describes the given topic. Practical part shows all calculations needed for milling head design. Part of the mechanical design is a mendrel seating and propulsion system. KEY WORDS milling accessories, mandrel, seating, T-slot

7 Rád bych poděkoval Doc. Ing. Zdeňkovi Hudcovi, CSc. za cenné rady, věcné připomínky a vstřícnost při konzultacích a vypracování mé bakalářské práce.

8 Obsah Úvod Obrábění Vyvrtávání Frézování Frézování rovinných ploch Frézování válcovou frézou Frézování čelní frézou Základní funkční části obráběcího pracoviště Rám stroje Lože Stojan Příčník Vřeteník Vřeteno Pinola Finální převod Pohon Posuvy Pohybový šroub Vedení Vyvrtávací stroje Deskové Stolové Křížové Frézovací stroje Konzolové frézky Stolové frézky Rovinné Speciální Příslušenství vodorovných vyvrtávaček a frézek Frézovací zařízení Frézovací hlavy

9 5.2.1 Popis jednotlivých funkčních celků frézovací hlavy Mechanismy natáčení Indexování Souvislé natáčení Vyvrtávací zařízení Mazání a chlazení Mazání Chlazení Upínání nástroje do příslušenství ISO (SK) HSK Coromant Capto Návrh uložení vřetena frézovacího stroje Házení Uložení vřetene na kuličkových ložiskách Tuhost uložení vřetene Uložení vřetene na kuželíkových ložiskách Vysoce přesná ložiska (vřetenová) Řešení vlastní úlohy Analýza frézovacího zařízení T-drážky a jejich výroba Zadané parametry Zátěžné stavy Návrh soukolí Návrh pracovního vřetene a jeho uložení Životnost ložisek Teplotně stabilní otáčky Výpočet deformace vřetena v programu KISSSoft Výpočet deformace vřetena metodou konečných prvků Návrh uložení hřídele Návrh prvků pro přenos momentu Pera mezi vřetenem stroje a hřídelí Pero mezi hnaným kolem a vřetenem Pero mezi hřídelí a hnacím kolem

10 9.7 Model Závěr Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam příloh Použitý software Knižní publikace Podklady k přednáškám Publikace na internetu

11 Seznam zkratek a symbolů F síla P výkon T teplota p tlak D průměr díry d průměr hřídele D F průměr nástroje F A síla v axiálním směru F R síla v radiálním směru L h životnost Q koeficient kvality q poměrná doba běhu a osová vzdálenost m modul m n normálový modul z 1 počet zubů hnacího kola z 2 počet zubů hnaného kola x korekce osové vzdálenosti b šířka a úhel záběru b - úhel sklonu zubů p A dovolený tlak t A dovolené napětí ve smyku h - účinnost M 1 kroutící moment hnacího kola M 2 kroutící moment hnaného kola F v výsledná síla n 1 otáčky hnací kolo (1/min) n 2 otáčky hnané kolo (1/min) i převodový poměr s bezpečnost 11

12 h výška l délka l min minimální délka B šířka ložiska kw kilowatt min -1, 1/min, ot/min otáčky za minutu Nm newton metr N newton mm milimetr stupeň µm mikrometr m metr hod hodina Pa pascal 12

13 Úvod Tématem práce je příslušenství vyvrtávacích a frézovacích strojů. V první části této práce je na dané téma vypracována rešerše. Jsou zde zpracovány obráběcí operace, které se využívají na vyvrtávacích a frézovacích strojích a jejich příslušenství. Dále jsou rozebrány principy fungování těchto strojů se zaměřením na jejich příslušenství. Ve vlastní úloze je řešen konstrukční návrh otočné části frézovacího zařízení pro obrábění T- drážek. Nejprve je popsána analýza zařízení, ve které je uveden příklad podobného zařízení od firmy Waldrich. Déle jsou zpracovány jednotlivé kroky návrhu, kde je popsáno, jakým způsobem je návrh řešen. Jsou zde uvedeny vstupní parametry výpočtů, vyhodnocení a obrázek z prostředí programu, ve kterém je návrh zpracován. Použity jsou programy KISSSoft, Autodesk Inventor a Siemens NX. K závěru práce je obrázek vytvořeného modelu. 13

14 1 Obrábění Vyvrtávání a frézování jsou jedny ze základních operací obrábění. Obrábění je technologický proces, při kterém se opracovává polotovar (obráběný předmět) do požadovaného tvaru a rozměrů odebíráním materiálu ve tvaru třísek konvenční obrábění (nekonvenční obrábění: k odebírání materiálu dochází pomocí elektrických a chemických procesů). Tyto třísky jsou oddělovány od obrobku břity nástrojů. Břit je pracovní část nástroje ve tvaru klínu. K samotnému odebírání materiálu ale nedochází jen tak. Je potřeba, aby docházelo k vzájemnému pohybu mezi obrobkem a nástrojem. Tento pohyb se nazývá řezný pohyb. Hlavní pohyb hlavní složka řezného pohybu, základní pohyb stroje rotační, přímočarý nebo kombinovaný Posuv pohyb nástroje nebo obrobku, současně hlavním řezným pohybem umožňuje postupné oddělování třísek Přesnost obrábění je dána mnoha faktory jako je např.: chlazení, obsluha, odvádění třísky, rychlost a podmínky obrábění, správné upnutí obrobku i upnutí nástroje. [9] Základní dělení obráběcích strojů je podle technologie obrábění na daném stroji - Hlavní technologie obrábění - Soustružení - Frézování - Vrtání, vyvrtávání - Broušení 1.1 Vyvrtávání Vyvrtávání je obráběcí metoda, při níž se rozšiřují předlité, překované, přelisované, předvrtané nebo jinými způsoby předhotovené díry na požadovaný poměr nebo tvar. Používá se pro hrubování i dokončovací operace. Hlavní pohyb je rotační, vedlejší pohyb posuvný. Plochy, které se obrábí, mají tvar válce, kužele, čelního mezikruží nebo i další, jako například řezání zápichů nebo frézování, a to díky vyvrtávacímu příslušenství, díky kterému jsou vyvrtávací stroje velmi univerzální. Převážně se tato metoda používá pro obrobení vnitřních ploch, lze ale vyvrtáváním obrobit i plochy vnější. Pro tvarově složitější plochy nebo dokončovací operace se častěji používá pouze jednobřitý nástroj. Vícebřité nástroje jsou vhodné spíše pro hrubování válcových děr. Nástrojem jsou vyvrtávací nože, které se upevňují do vyvrtávací tyče nebo do vyvrtávací hlavy. Nástroje rotují nebo se posouvají v nožových saních. [11] 1 Hlavní řezný pohyb 2 Posuvný pohyb 3 Nástroj 4 Obráběný předmět Obrázek 1- Schéma vyvrtávání [10] 14

15 1.2 Frézování Obrábění rovinných nebo tvarových ploch rotačním vícebřitým nástrojem frézou. Břity jsou rozloženy na povrchu válcové, kuželové nebo jiné rotační plochy, jejíž osa je shodná s osou otáčení nástroje. Při frézování je vhodné, aby bylo vždy v záběru co nejvíce břitů. Každý břit odebírá samostatnou třísku proměnné tloušťky. Díky přesnosti a produktivitě má frézování velké uplatnění v praxi. [12] Řezný pohyb je složen ze dvou pohybů - Hlavní řezný pohyb je rotační a koná ho nástroj - Obrobek je upnutý a koná vedlejší pohyby (posuvy) přímočaré nebo posuvné Frézování rovinných ploch Frézování válcovou frézou osa rotace rovnoběžná s obráběnou plochou. Obrábí břity po odvodu válcové frézy Frézování čelní frézou osa rotace kolmá s obráběnou plochou. Obrábí břity na čele a po obvodu čelní frézy Frézování válcovou frézou Frézování válcovou frézou se dělí na sousledné a nesousledné. Při nesousledném frézování se fréza otáčí proti směru posuvu řezná síla působí proti posuvu a má tendenci zvedat obrobek. Jak se zřejmé z obrázku, tloušťka třísky je při vniknutí ostří do materiálu minimální a postupně se rozšiřuje. Vyšší nároky na bezpečnost upnutí. Při sousledném frézování se fréza otáčí ve směru posuvu řezná síla přitlačuje obrobek ke stolu (vtahuje obrobek pod sebe). Tříska má nejprve maximální tloušťku, která se postupně snižuje až do svého minima. Při záběru zubů vnikají silové rázy to je oproti nesouslednému frézování nevýhoda. Tudíž jsou větší požadavky na tuhost konstrukce. Vhodné touto metodou obrábět spíše houževnatější materiály. [12] Obrázek 2 - Sousledné a nesousledné frézování [13] Frézování čelní frézou Zabírá více zubů, uplatňují se jak břity obvodové, tak čelní. Osa nástroje je kolmá k obráběné ploše. Nejběžnější obrábění rovinných ploch, drážek, osazení, vybrání 15 Obrázek 3 - Čelní a válcová [14] fréza

16 2 Základní funkční části obráběcího pracoviště Existuje celá řada obráběcích strojů od ručně ovládaných, kde je vyžadovaná velká míra obsluhy stroje, až po obráběcí stroje moderní, které jsou plně automatické a lišící se velikostí stroje. Požadavky na obráběcí stroje jsou vysoké z důvodu zajištění definovaných poloh obráběcího stroje a obrobku za klidu i v pohybu. Hlavními požadavky je tedy přesnost a výkonnost stroje, přičemž se obráběcímu stroji musí přiřadit potřebný výkon. Dalšími požadavky na obráběcí stroje je malá půdorysná plocha, snadná ovladatelnost, trvanlivost a životnost závisející na vhodně zvolených konstrukčních prvcích a v neposlední řadě je požadavkem rovněž vybavenost příslušenstvím, která zajišťuje rozmanitost obráběcích úkonů. [2] 2.1 Rám stroje Rám stroje plní nosnou funkci obráběcího stroje. Proces obrábění je složen z několika řezných pohybů, které vyvolávají statické a dynamické zatížení. Zachycení těchto sil zajišťuje právě rám stroje. Mimo jiné zachycuje i účinky dané hmotností obrobku. Rám musí mít s ohledem na požadavky přesnosti obrábění stroje dostatečnou tuhost v tahu, tlaku, ohybu a také krutu. Mimo jiné musí být zajištěna odolnost proti opotřebení vodících ploch, dynamická stabilita a stálost tvaru. Rám stroje se skládá z menších celků: [2] Lože základní funkcí je přenos sil do základu a vytvoření trajektorie posuvů pomocí vodících ploch (pro stůl, stojan nebo jiné základní části), které jsou na loži umístěny. U většiny strojů slouží jako spojení ostatních základních částí stroje v celek. Nese stojan s vřeteníkem a příslušenstvím, ten se pohybuje po loži v příčném směru. Lože se připevňuje pomocí šroubů k základu. Uprostřed může být upevněn kalený ozubený hřeben do kterého zabírají předepnuté pastorky nebo kuličkový šroub pro posuv stojanu. Na loži mohu být také umístěny trubky pro transport maziva. [8] Stojan část stroje skříňového tvaru s výškou převládající nad jejím průměrem. Slouží k ustavení dalších částí stroje jako například vřeteník (může nést třeba i kabinu pro obsluhu). Na těle stojanu je také umístěn pohon a svislé vedení, to umožňuje svislý pohyb vřeteníku. [1] Příčník u některých obráběcích strojů se vyskytuje vodorovně uložená část stroje. Většinou je uložen pohyblivě na jednom nebo dvou stojanech a jsou na něm vodící plochy pro vřeteník. [1] Vřeteník část stroje, nachází se v něm pinola, ve které je uloženo vřeteno. případně i převodové ústrojí pro změnu otáček vřetena. Součásti vřeteníku je hlavní pohon, který roztáčí vřeteno. Může být umístěn uvnitř nebo vně vřeteníku. Ke zlepšení přesnosti je tíha vřeteníku kompenzována závažím, které bývá umístěné na zadní části stojanu a je zavěšeno pomocí řetězu nebo lana vyrovnávání přímočarosti výsuvu vřetena/pinoly. [8] 16

17 2.1.5 Vřeteno Je uloženo uvnitř vřeteníku. Vykonává dva pohyby. Rotace kolem svojí osy (osy Z) hlavní řezný pohyb, druhý pohyb je posuvný v příčném směru (ven z vřeteníku). Na konci vřetena bývá umístěn kužel pro upínání nástrojů. [2] Pinola ocelový odlitek hranolovitého tvaru, čtvercového průřezu. Pinola tvoří nosný element (k podepření a zpevnění), ve kterém jsou uložena pracovní vřetena. Na čelo pinoly se připevňují různá přídavná zařízení, která rozšiřují možnosti stroje (frézovací, vyvrtávací hlavy). Vedení pinoly bývá kluzné, může být i hydrostatické. V přední polovině pinoly jsou přesné vývrty pro uložení ložisek. V rozích čela jsou čtyři válcové otvory pro upnutí technologického zařízení. [8] Finální převod Uložen na horní straně pinoly, je s ní pevně spojen a při jejím vysouvání s ní koná přímočarý pohyb. Slouží k přenosu výkonu mezi převodovým mechanismem a vřetenem při současné změně jeho parametrů. [8] Finálním převodem (frézovacích) strojů a zařízení je věnec s pastorkem opatřený čelním ozubením nebo kuželová kola. Případně i ozubený řemen. Převod frézovacího zařízení je umístěn mezi ložisky vřetene. Průměr finálního kola je dán rozměrem tělesa uložení vřetene. Převodový poměr se určí při návrhu převodovky hlavního pohonu. [1] Pohon Pohonný systém obráběcích strojů se skládá z hnacího členu a převodového mechanismu. Zabezpečuje rotaci vřetena hlavní řezný pohyb. Hlavní pohon je tvořen regulačním motorem. Motor bývá uložen v zadní části vřeteníku. Výkon je přenášen přeš převodovku reprezentovanou ozubenými koly. Převodový mechanismus sloužící k vyvození hlavního řezného pohybu od spojení koncové části s vrtacím vřetenem. Finální výstupním členem pohonu je vřeteno frézovacího zařízení. (Vřeteno duté se používá pro frézování, plné vřeteno pro vrtání.) Z převodovky vystupuje hřídel, ze které je výkon přenášen finálním převodem. Vřeteno může vykonávat kromě rotačního pohybu i výsuv díky spojení finálního převodu a hřídele pomocí drážkování. [1] Hnací členy (motory) motor je základní částí pohonného systému, kde je transformována některá ze vstupních energií v energii mechanickou. Podle vstupní energie se dělí na elektromotory a hydromotory. Podle charakteru vstupního a výstupního pohybu na rotační motory (výstupem je krouticí moment) a lineární motory (výstupem je posuvová rychlost). 17

18 2.1.9 Posuvy Posuvy slouží k vyvození vedlejších obráběcích pohybů ve třech osách (u moderních, drahých, obráběcích center v pěti osách). Uskutečňují se pinolou nebo vřeteníkem, po stojanu, stojanem po loži nebo posunem stolu. [1] Pohybový šroub je tvořen vlastním šroubem a maticí. U tohoto mechanismu lze rozlišit dva základní případy užívané v konstrukci obráběcích strojů - Šroub se otáčí, matice je držena proti otáčení a posouvá se - Matice se otáčí a posouvá, držen je šroub Vedení Vedení je systém vodících ploch na stroji, na nichž je se stýkají pohyblivé čísti stroje. Tato soustava musí zabezpečit pohyb uzlů stroje po geometricky přesných drahách. Provedení vodících ploch je velmi důležité, protože značně ovlivňuje kvalitu pohybových os stroje a tím i jeho pracovní přesnost. [1] Má základní dvě funkce: - Zabezpečit polohu nebo určitý relativní pohyb mezi pevnou a pohyblivou částí stroje - Přenést zatížení z jednoho dílu na druhý Rozdělení: Podle druhu tření - Kluzná (hydrodynamická) - Valivá - Hydrostatická Podle tvaru vedení - Přímá - kruhová vedení 3 Vyvrtávací stroje Jsou to velmi univerzální stroje. Hlavním řezný pohyb je rotační a ve většině případů posuvy ve 3 směrech koná nástroj upnutý na pracovní vřeteno. Nejzákladnější technologickou operací je obrábění nástrojem s jedním břitem vyvrtávaní. Díky tomu jsou velké požadavky na tuhost stroje, kvůli měnící se orientaci působení řezané síly během rotace. Ve většině případů mají tyto stroje vodorovně orientované vřeteno. Obrábění tvarově náročné obrobky. [8] Pohony horizontek jsou řešeny regulačními motory s následnými převodovými mechanismy. Posuvy jsou navrhovány regulačními elektromotory s kuličkovými šrouby, u velkých pojezdů se uplatní mechanismus pastorek a hřeben 18

19 3.1 Deskové Hlavním znakem je stojan posuvný po loži v podélném směru. Po stojanu se svisle pohybuje vřeteník s vodorovně výsuvným vřetenem. Nemají pracovní stůl, obrobek se upíná na upínací nepohyblivou desku. Stojan s vřeteníkem se pohubuje podél této desky. Pokud se používá otočný stůl, je upnut na desku a má vlastní pohon. Lože deskové vyvrtávačky je tuhý, bohatě žebrovaný odlitek ze šedé litiny, výjimečně ocelový svařenec. Stejně jako u stolové vyvrtávačky bývá na stojanu umístěno závaží pro kompenzaci tíhy vřeteníku. [7] 3.2 Stolové Obrázek 4 Horizontální vyvrtávací stroj od firmy Fermat [15] Jsou charakteristické pracovním stolem, který se pohybuje na příčných saních v podélném i příčném směru díky křížově uspořádaným saním. Pracovní stůl se dá pootočit až o 360, což umožňuje obrábět obrobek ze 4 stran na jedno upnutí. Na jednom konci lože je připevněn stojan se svisle posuvným vřeteníkem. Smykadlo nebo pinola se mohou vysouvat z vřeteníku. Pracovní vřeteno se otáčí a zároveň posouvá z pinoly. V praxi kombinace pohybu stolu a stroje. [7] 3.3 Křížové Obrázek 5 - Stolový vyvrtávací stroj firmy Fermat [15] Jsou koncepčně řešeny tak, že stůl je s obrobkem pohyblivý pouze v příčném směru a stojan podélně po loži. Tyto horizontky se používají k frézovaní rovinných ploch dlouhých obrobků. Jde o vyvrtávačky středních rozměrů. [8] 19

20 4 Frézovací stroje Frézovací stroje pracují za využití vícebřitého nástroje. K tomu, aby bylo chvění frézovacího stroje co nejmenší, je dobré, aby v záběru s obrobkem bylo co nejvíce břitů. Frézovací stroje patří k nejvýkonnějším obráběcím strojům. 4.1 Konzolové frézky Konzolové frézky souží k běžným operacím jako je obrábění rovinných ploch spíše menších a středních rozměrů obrobků. V praxi se vyskytují koncepce se vodorovnou i svislou osou vřetene. Rozměrový parametr šířka stolu. Základním znakem rámu je přestavitelná konzola, která se po stojanu může pohybovat. Na konzole se nachází stůl a saně. U univerzálních konzolových frézek je možné předělat polohu vřeteníku. [1] 4.2 Stolové frézky Stolové frézky bývají stroje větších rozměrů a jsou užívány také pro obrábění velkých těžkých obrobků na upínacím stole. Rozměrový parametr upínací plocha šířka x délka, hmotnost obrobku (přibližně 5 tun). Vyrábí se koncepce vodorovné a svislé orientace vřetena s posuvným stolem. Tento typ frézek nemývá pohyblivý stojan. Po stojanu se ve vedení posouvá vřeteník osa Z. Stůl může být otočný a posouvá se po loži stroje. V případě, že je stůl otočný může vykonávat otočný pohyb, nebo ho koná frézovací zařízení, které se připevňuje na pinolu stroje. [1] 4.3 Rovinné Rovinné frézky si jsou svou koncepcí podobné předchozímu typu frézek a slouží k obrábění rovinných i složitějších útvarů jako jsou například drážky, a to na velmi rozměrných obrobcích. Podle orientace osy vřetene se rozdělují na vodorovné a svislé rovinné frézovací stroje. Rozměrový parametr šířka stolu (přibližně několik desítek centimetrů až 4 metry). Rám frézky, kde se nachází jeden stojan, je složen ze stolu, stojanu a vřeteníku. Frézky mohou být s uzavřenýmbtvarem rámu těm se říká portálové. Stojany jsou potom tedy spojeny výškově posuvným příčníkem. Zde se pak nachází vřeteníky. [1] 4.4 Speciální Pro frézování velmi složitých tvarů jsou speciální frézky. Slouží k obrábění například drážek, na různé druhy ozubených kol a výrobu nástrojů. Obvykle pracují se značnou přesností. Možnosti těchto strojů velmi rozšiřuje nabízené příslušenství. Mezi tento druh strojů jsou řazeny i frézky kopírovací, ty obrábí různé tvary podle vzoru. Tyto tvary jsou kopírován tykadlem. Posuvy jsou řízeny servopohony, tím je zaručena velká přesnost. Přibližně do 0,02 mm. [7] 20

21 5 Příslušenství vodorovných vyvrtávaček a frézek Přídavná zařízení (příslušenství) rozšiřují technologické možnosti stroje. Frézovací a vyvrtávací zařízení se zpravidla upevňují na čelo pinoly stroje a umožňují obrábět tvarově složité plochy. Bohatá nabídka příslušenství zvyšuje kredit výrobce OS a zlepšuje jeho postavení na trhu. Příslušenství prodává stroj. [8] Technologická zařízení Zvyšují flexibilitu a produktivitu stroje a rozšiřují jeho technologické možnosti tak, aby bylo možno vyhovět speciálním požadavkům zákazníků. U starších strojů lze využít k modernizaci stroje. [8] Manipulační zařízení Slouží především ke snížení mezioperačních časů a intenzitu práce obsluhy. Všechna tato zařízení mají hlavní funkci zvýšit produktivitu obráběcího procesu. [8] 5.1 Frézovací zařízení Rozdělení frézovacích zařízení Podle počtu a sklonu os natáčení - Úhlové hlavy natáčení kolem jedné osy sklon 90 - Univerzální natáčení kolem dvou os skon 90 nebo 45 Podle způsobu natáčení - Ruční natáčení pomocí šnekového soukolí - Pomocí vřetene stroje indexování - Polohovým servomechanismem Podle upínání nástrojů (ISO 50, 40, SK) - Ručně nebo automatickým upínačem Podle manipulace s hlavou - Ručně s pomocí jeřábu nebo manipulačního vozíku - Automaticky 5.2 Frézovací hlavy Výměnné hlavy zvyšují technologické možnosti obráběcího stroje pro obrábění svislých, vodorovných i jinak orientovaných ploch. Dosahuje se toho změnou orientace polohy vřetena a jeho vhodného natočení, například u horizontální vyvrtávačky, kdy je hlavní osa vřetena stroje ve vodorovné poloze. Pomocí vřetenové hlavy je výstupní vřeteno možno orientovat svisle. Vřetenová hlava může být neodnímatelnou součástí vřeteníku stroje, případně ji lze využívat jako příslušenství stroje, kdy je hlavu možné odepnout od vřeteníku. V dnešní době CNC obráběcích strojů a center, jsou vřetenové hlavy jistým standardem jejich vybavení. Ze strojů původně určených pro specifické práce (vodorovné vyvrtávačky pro vrtání a vyvrtávání), vznikají stroje s jistou přidanou hodnotou, kde je možné vřetenovými hlavami provádět například operace frézování. [2] 21

22 Režimy a funkce frézovací hlavy Hlavním znakem pracovního režimu těchto zařízení je jejich umístění na pinolu stroje. Přenos momentu od stroje na pracovní vřetena zařízení je vyvozen od hlavního pohonu. Pro zajištění aretace kolem os slouží Hirthova spojka spolu s hydromotory. Při uvolnění tlaku v hydromotorech dojde k výsuvu vřetena a uvolnění ve spojce. Tehdy může dojít k pootočení. K pootočení dojde vlivem hlavního pohybu. Natáčení kolem dalších os funguje podobně. Hirthova spojky se uvolní ze záběru. [16] Popis jednotlivých funkčních celků frézovací hlavy Rám Rám je charakteristickým prvkem hlavy po stránce tvaru a rozměrů. Nachází se zde pohon a další mechanismy k zajištění požadovaného fungování zařízení. Rám se skládá ze statické části, která bývá připevňována na čelo pinoly pomocí šroubů a dále jedné nebo více pohyblivých částí, které jsou vůči sobě natáčeny. Rám je ve většině případů vyroben z oceli nebo litiny. [16] Hlavní pohon Je to systém, který umožňuje přenášet točivý moment od obráběcího stroje na pracovní vřeteno frézovací hlavy a tím pádem také na nástroj. Tento systém je tvořen jednotlivými částmi zařízení hřídele a například ozubených převodů. Volí se čelní ozubená kola s přímými nebo šikmými zuby. Hřídele a vřetena jsou uloženy do valivých ložisek. [16] Mechanismy natáčení Umožňují otáčení indexování částí frézovací hlavy a poté jejich zajištění. Jak je výše zmíněno, k tomu slouží hydromotory a Hirthovo ozubené spojky. Spojky jsou k sobě tlačeny vyvozenou sílou od hydromotorů. Snížením tlaku pak dojde zase k jejich uvolnění. [16] Přívody energií Zde se jedná především o dodání tlakové kapaliny, chladiva, elektrické energie. Tlaková kapalina je v tomto případě použita pro zajištění os zařízení. Vzduch nebo chladící kapalina může být rozváděna externě, nebo středem nástroje. Vzduch je používán pro ochranu a ofukování dutiny, která vždy musí zůstat čistá. Kapalina může například napomoci také při odvádění třísek z pracovního prostoru. [16] Jako parametry frézovacího zařízení jsou nejčastěji udávány (v závorkách přibližné hodnoty): - Výkon (20 kw) - Moment (1000 Nm) - Jmenovité otáčky (250 min -1 ) - Maximální otáčky (2000 min -1 ) - Převod (1:1) - Upínací kužel (např.: ISO 50) - Rozsah otáčení v 1. Ose (0 360 ) - Rozsah otáčení v 2. Ose (0 360 ) - Úhel os natáčení (90 ) - (rozměry, přesnost, životnost) 22

23 5.3 Mechanismy natáčení Indexování je přesné natáčení o určitý úhel a je prováděno za klidu zařízení Natáčení polohovým servomechanismem provádí se v 1 nebo ve 2 souřadnicích Hirthova spojka Pevné spojení na principu Hirthovo ozubení vytvořeného na obou čelech spojovaných součástí, které jsou k sobě stlačovány osovými silami. Hirthovo aretační ozubení se používá k přesnému ustavení polohy strojní součásti se zaručenou opakovatelností, v tomto případě k zajištění přesné polohy upnutí frézovacích hlav. Přesnost dělení ±3 a přesnost otáčení o 360 je 0,001 mm. Nevýhodou je, že nelze frézovací hlavu natočit o jakýkoliv úhel, ale pouze úhle daný např. počtem zubů Hirthovy spojky. Hirthovy spojky se vyrábí v rozsahu zubů. Je tedy možno indexovat nejjemněji po jednom stupni. K dosahování velké přesnosti napomáhá také středící kužel. [8] Obrázek 6 - Kroužky s Hirthovo ozubením [25] Indexování 1 osa Natočení je provedeno vřetenem stroje. Pro lehčí vrtací a frézovací operace prováděné pod libovolným úhlem. Vřeteno hlavy je kolmé na vřeteno stroje možné natáčet o 360. Tělo se skládá nejčastěji ze dvou částí, jedna je pevná, druhou lze natáčet kolem osy automatiky nebo manuálně. Pravoúhlé hlavy mají obvykle dobrou tuhost, která napomáhá přesnějšímu obrábění. [8] Obrázek 7 - Hlava indexovaná - 1 osa [17] 23

24 2 osy 45 Univerzální, automaticky natáčená ve dvou osách. První osa je vodorovná a je totožná s osou vřetena stroje, druhá osa je skloněná pod úhlem 45 od první vodorovné osy. Rozsah indexovaného natáčení ve dvou osách je Počet indexovaných poloh je dán počtem zubů Hirthovy spojky. Použití, tam kde je potřeba obrábět složitější tvary. Tuhost s předchozím typem o něco menší, ale více nastavitelných úhlů vůči obráběné ploše. [8] Obrázek 9 - Hlava indexovaná - 2 osy [17] Obrázek 8 - Schéma pohonu [16] Indexování 2 osy Je zde jiná vzájemná poloha os. Osy svírají úhel 90. Tyto hlavy jsou pravoúhlé, oproti jednoosým hlavám je zde možnost ovládat další osu. Natáčení je prováděno pomocí vřetena stroje. Upínání nástrojů je řešeno pomocí kleštinových upínačů a talířových pružin, uvolňování nástrojů hydraulikou. Kužel ve vřetenu je ISO 50.) [8] Souvislé natáčení je přesné otáčení a provádí se za provozu zařízení Je řešeno samotným servomotorem, který je součástí hlavy nebo stroje. Kroutící moment je přenášen přes určitý převod a harmonickou převodovku. Výhodou oproti indexování možné otáčení o jakýkoliv úhel. Toto pootáčení je většinou doplněno o přesné odměřovací zařízení, které zvyšuje cenu hlavy. Frézovací hlavy s tímto způsobem natáčení vhodné pro obrábění složitých zakřivených ploch např. lopatky turbín. [8] 24 Obrázek 10 - Hlava indexovaná pravoúhlá [17]

25 Souvislé natáčení 2 osy 90 Speciální zařízení pro obrábění zakřivených ploch. Rotační pohyb je odvozen od vřetene stroje. Posuvné pohyby hlavy mají často svůj pohon. Ve velké míře se používá u portálových strojů, kde je vřeteno stroje orientované svisle zde se obrábí složité tvary z vrchní části obrobku. [8] Obrázek 11 - Hlava souvisle natáčená [17] Souvislé natáčení 2 osy 45 Dalším typem je frézovací hlava, která je natáčená kolem dvou os, ale v jiném uspořádání. Uspořádání je podobné jako u 2osé frézovací hlavy indexované. Vzájemná poloha je 45, což umožňuje obrábět z jiných úhlů. Umožňuje souvislé natáčení za provozu. [8] 5.4 Vyvrtávací zařízení Stejně jako frézovací hlavy, hlavy vyvrtávací značně rozšiřují možnosti vyvrtávacích strojů. Opracování čelních ploch a vyvrtávání otvorů, zápichy, vybrání v otvorech, obecné rotační plochy. Hlavní řezný pohyb je dán rotací celé soustavy vyvrtávací hlavy. Nástroj je umístěn v saních, které se posouvají vůči tělesu, které je upnuto ve vřeteni. Obrázek 12 - Vyvrtávací zařízení s upínacím kuželem [20] Základním prvkem hlavy je těleso, ve kterém jsou kolmo na jeho osu otáčení uloženy saně. Pro zpevnění soustavy těleso saně slouží šroub, tím soustava lépe odolává chvění nebo samovolné změně nastaveného rozměru při vyvrtávání. Při nastavování rozměru, nebo při využití samočinného posuvu hlavy musí být šroub povolen. V saních je otočně uložen vodící šroub, 25

26 který je zajištěn proti samovolnému otáčení. Šroub se otáčí šestihranným zástrčným klíčem, který uvolní pojistku. Klíčem lze otáčet na obě strany 1 dílek na stupnici představuje 0,005mm. Pokud je posuv saní samočinný je odvozen od rotačního pohybu hlavy. Obrázek 13 - Obrábění pomocí vyvrtávacího zařízení [18] Upínací stopka je nasazená do středícího otvoru příruby, která je šrouby přitažena k tělesu hlavy. Hlava se upíná do vřetena obráběcího stroje tak, že se kuželová stopka vloží do dutiny a upne upínacím systémem stroje. Při upínání je potřeba dbát na čistotu obou upínacích ploch kužele stopky i dutiny. [8] Vři vyvrtávání kuželů musí být spojen příčný posuv saní s axiálním posuvem vřetena stroje. Posuv saní může při pravém otáčení vřetena stroje směřovat je jedním směrem. Když se nůž upne ve směru příčného posuvu saní, bude se vyvrtávat rozšiřující kužel. Pokud se nůž upne proti směru posuvu saní, bude se vyvrtávat zužující se kužel. [8] Pokud je splněna podmínka pevné vazby mezi posuvem vřetene stroje a jeho otáčkami, je možné řezání válcových závitů. 6 Mazání a chlazení Jsou funkce, které napomáhají k plynulému chodu zařízení. Jedná se například o posuvy, ozubené převody, nebo uložení vřetene. Napomáhají tak k přesnosti obrábění. Snižují a odvádí teplo v místech, kde dochází ke tření. Zvyšuje účinnost a brání vnikání nečistot. Výrazně prodlužují životnost jednotlivých částí, když je jich použito správně. 6.1 Mazání Napomáhá ke snížení třecích odporů a opotřebení funkčních ploch. U ozubených převodů slouží také ke snižování hlučnosti. Má se přivádět dostatečné množství maziva a toto množství, pokud možno, automaticky kontrolovat. Na stroji se rozlišují místa s vyššími nároky na kvalitní mazání ložiska, spojky, ozubená kola, vodící plochy a místa, kde stačí přetržité mazání. [24] Způsoby mazání: Podle počtu mazaných míst se dělí na centrální a jednotlivé. Podle mazacího média se rozlišuje na mazání olejem nebo plastickými mazivy tukem. 26

27 Ruční mazání jednotlivé přerušované mazání nalitím do maznic, které jsou na stroji označeny. Rozstřikem, broděním je metoda mazání při které se v uzavřené prostoru části brodí v oleji a rozstřikovaný olej maže ostatní místa. Rozlišení vhodnosti typů mazání se posoudí podle obvodových rychlostí. Při rozstřiku je ozubené kolo ponořeno maximálně do výšky tří zubových mezer, tento způsob se používá do obvodových rychlostí 6 m/s, při vyšších rychlostech se olej přehřívá a pění. Při brodění jsou ozubená kola ponořena až po záběr a šneky více než z poloviny požívá se do rychlosti 4 m/s. [24] Olejová mlha tento způsob je vhodný u rychloběžných vřeten. Do prostoru ložisek se přivádí tlakový vzduch a malé množství oleje. Oběhové mazání tvoří uzavřenou soustavu, jedná se o centrální nepřetržité tlakové mazání, které mnohdy plní víc funkcí. Valivá ložiska Chráníme mazáním proti vnějším vlivům prostředí, ve kterém pracují. Důležitá ochrana je ložiska proti korozi. Žádoucím výsledkem mazání je také odvod tepla mazivem. Většina typů valivých ložisek může být mazána plastickým mazivem nebo olejem, kromě soudečkových axiálních ty se mažou pouze olejem. Mazání ložisek výrazně prodlužuje jejich životnost a snižuje možnost poruchy vlivem mechanického poškození. Velmi často užívané mazání při uložení vřetene je tukem. (ložiska musí být dobře utěsněna, aby nedocházelo ke vnikání nečistot) [24] Ozubené převody Používaným mazivem pro ozubené převody je mazací olej. Mazivo se musí dostat do záběru převodu. Snižuje se tak otěr boků zubů, příliš hlasitému chodu a nadměrným teplotám. To jak rychle je přiváděno mazivo se odvíjí od obvodové rychlosti ozubených kol. 6.2 Chlazení Chlazení má za cíl dobrý odvod teplo z prostoru obrábění, napomáhat odvodu třísek a zvyšovat tak účinky mazání. Chladícími kapalinami jsou vodní roztoky, minerální organické oleje nebo emulsní kapaliny. Při procesu obrábění vzniká veliké množství tepla, které je nutno odvádět, aby se nezvyšovala teplota celého stroje. Dalším důležitým faktorem je tepelná roztažnost, která může způsobit výrobní nepřesnost. Řezný prostor je oplachován zvenku, nebo středem nástroje. Při chlazení středem nástroje k tomuto typu chlazení musí být nástroj přizpůsoben. Chlazení středem nástroje zvyšuje produktivitu obrábění, trvanlivost nástroje a umožňuje obrábění při vyšších řezných rychlostech. [24] 27

28 7 Upínání nástroje do příslušenství Jde o pojení nástrojů s vřetenem stroje nebo zařízení. Toto spojení se provádí pomocí držáků se stejným typem kužele. To zaručí velkou přesnost v místě spojení. Na trhu jsou různé typy těchto upínacích kuželů. Poměrně novým systémem jsou držáky Capto. Mezi nejvíce rošířené patří bezesporu systém ISO a HSK. Kuželová dutina pro upínání je ofukována vzduchem, pro zbavení nečistot, aby došlo k přesnému upnutí. [18] 7.1 ISO (SK) Hlavním prvkem je kužel na upínacím trnu s určitým poměrem kuželovitosti. Na tomto provedení upínání je točivý moment přenesen z pracovního vřetena vlivem tření mezi kuželem nástroje a kuželem v dutině vřetena. Nástroj je zde středěný na osu rotace vřetena. Upnutí je uzpůsobené tak, že je nástroj kleštinami vtahován do dutiny. Vřetena mají dané rozměry kužele, tím pádem je kužel nezaměnitelný, což je v praxi nevýhoda. [19] 7.2 HSK Tento typ kuželů využívá axiální síly a kuželovité stopky. Celkově tento spoj funguje podobně jako ISO systém, s tím rozdílem, že tření nevniká jen dutině vřetena, ale držák dosedá i na čelo vřetene. To zapříčiňuje upnutí o něco vyšší tuhosti. Tam kde je požadována velmi velká přesnost, je možné požít dlouhý šroubem procházející vřetenem (není možné použít u automatické výměny nástrojů). U HSK vyšší otáčky při obrábění napomáhají lepšímu upnutí nástroje. [19] 7.3 Coromant Capto Coromnat Capto je spojka, která využívá kontaktu na čelní ploše příruby a na kuželové ploše stopky s kuželovitostí 1:20. Hlavním znakem a rozdílem oproti dvou předchozím typům je, že zde není užito kužele rotačního tvaru, ale kužele polygonálního. To značně zlepšuje pevnost upnutí, jelikož jsou síly rozděleny do několika míst dotyku. To zlepšuje tuhost v krutu, ohybu a opakovatelnost. Je používán i pro automatickou výměnu nástrojů. [19] Obrázek 14 - Upínací kužel Capto [26] 28

29 8 Návrh uložení vřetena frézovacího stroje Vřeteno se nachází ve vřeteníku. Jeho úkolem je zaručit nástroji přesný otáčivý pohyb. Vřeteno je v drtivé většině případů uloženou valivých ložisek, jen velmi malé procento jsou ložiska hydrostatická. Obyčejně je uloženo ve dvou radiálních a v jednom axiálním ložisku. Přední ložisko bývá axiálně nehybné, zadnímu je povolen axiální pohyb (kvůli tepelné roztažnosti vřetena). Ložisko bližší přednímu konci má rozhodující vliv na přesnost otáčení, říká se mu hlavní, musí být velmi přesné a tuhé. Uložení se neskládá pouze z ložisek, ale i ze souvisejících dílů. Velmi důležitou roli hraje také mazivo ložisek. Úniku maziva zabraňuje těsnění, které také brání vnikání nečistot k ložisku. Obrázek 15 - Uložení vřetene SKF [23] Při návrhu je potřeba zvolit typ a velikost ložiska, je při tom nutno vzít v úvahu i další hlediska jako tolerance uložení, vůli ložiska, odpovídající těsnění, typ a množství maziva. Každý jednotlivý faktor má vliv na výkon, spolehlivost a hospodárnost uložení. [2] Požadavky na vřetena - Přesnost chodu radiální a axiální házení - Dokonalé vedení vřeteno nesmí měnit polohu v prostoru, při změně zatížení - Konstruovat vřeteno s možností vymezování vůle - Tepelné ztráty v uložení musejí být co nejmenší - Pasivní odpory musejí být co nejmenší - Vřeteno musí být tuhé 8.1 Házení Je způsobeno nepřesností otáčení vřetena, kdy osa vřetena mění během jedné otáčky svou polohu mezi dvěma krajními body; příčinou je, že jedno nebo dvě ložiska mají odlišnou osu rotace vnějšího a vnitřního kroužku, tzv. házejí. - Nesouosostí plochy na vřetenu, na níž měříme, s osou otáčení. - Neokrouhlým tvarem příslušné měřené funkční plochy. 29

30 Výsledné radiální házení je tedy složeno z těchto tří dílčích házení. Poslední dvě příčiny se dají odstranit nebo alespoň omezit zvýšením přesnosti při výrobě. Nepřesnost otáčení vřetena je způsobena radiálním, popř. axiálním házením ložisek. Obecně platí pravidlo pro volbu a montáž uložení vřeten obráběcích strojů, aby radiální házení bylo co nejmenší, je třeba zvolit přední ložisko přesnější, tj. s menším házením než zadní a montovat je tak, aby obě házela v jedné rovině ve stejném smyslu. Pro hlavní ložisko se používá valivé ložisko se zvýšenou přesností chodu a pro zadní ložisko se dá použít ložisko běžné přesnosti. [2] 8.2 Uložení vřetene na kuličkových ložiskách Obvykle je určen průměr předního ložiska vřetene volí se již při projektu frézovacího stroje nebo zařízení, na základě požadovaného rozměru upínací dutiny pro stopku nástroje (například ISO 5O) Volba typu ložisek a jejich uspořádání je závislá na zatěžovacích parametrech na silách a otáčkách, požadované přesnosti. Kuličková ložiska s kosoúhlým stykem jsou vhodná pro přenos radiální a axiální síly. Používají se jednotlivě nebo v sadách, které mají uspořádání T, O, X. Při užití v sadě se zvyšuje únosnost, ale snižuje se hodnota maximálních otáček. [3] 8.3 Tuhost uložení vřetene Tuhost uložení vřetene se vztahuje do místa působící síly a zahrnuje: - Tuhost vlastního vřetene - Tuhost ložisek - Tuhost těles, ve kterých je vřeteno uloženo Hodnota tuhosti je určující veličinou pro přenášený výkon při frézovaní. [3] 8.4 Uložení vřetene na kuželíkových ložiskách Kuličková ložiska s kosoúhlým stykem jsou vhodná pro přenos radiální a axiální síly. Používají se obvykle jednotlivě v uspořádání O, X nebo v sadě O, X. Vřetenová ložiska jsou vhodná pro uložení, na něž jsou kladeny nejvyšší nároky z hlediska přesnosti chodu a vysokých otáček. Ložiska se používají pro uložení hřídelí obráběcích strojů. [3] 8.5 Vysoce přesná ložiska (vřetenová) Vysoce přesná ložiska pomáhají optimalizovat výkonnostní parametry obráběcích strojů. Výhody se liší v závislosti na ložiskových řadách různých firem a na aplikacích. Mezi výhody se řadí schopnost vysokých otáček, vysoká únosnost, dlouhá provozní trvanlivost ložisek, dlouhé intervaly údržby a nižší spotřeba energie. [2] 30

31 Vřetenová ložiska jsou jednořadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem skládající se z masivních vnějších i vnitřních kroužků a kuličkových věnců s masivními okénkovými klecemi. Tato ložiska existují v otevřeném a utěsněném provedení. Vřetenová ložiska mají zúžené tolerance. Jsou vhodná zejména na uložení s nejvyššími požadavky na přesnost vedení a vhodnost počtu otáček. Nejlépe se osvědčila při uložení vřeten obráběcích strojů. Optimalizované vnitřní konstrukce nabízí nejčastěji tři stykové úhly: 15, 25, 30, v přesnostech P4 a vyšších. Ložiska jsou k dispozici s ocelovými nebo keramickými kuličkami. [2] Obrázek 16 - Kuličkové ložisko [21] 31

32 9 Řešení vlastní úlohy Cílem této úlohy je navrhnout konstrukci otočné části frézovacího zařízení se dvěma vřeteny dle náčrtu (obrázek zadání frézovacího zařízení v příloze). Účelem tohoto zařízení je frézování T-drážek. Otočná část, je část frézovacího zařízení, kde se nachází pracovní vřetena. Tato část je natáčena vůči statické části zařízení pro dosažení požadované rozteče obráběných drážek. Součástí úlohy je navrhnout uložení vřeten a jejich pohonný mechanismus. Zařízení jako celek má být příslušenstvím pro horizontální vyvrtávací stroje. Zařízení bude tedy uzpůsobeno tak, aby mohlo být upnuto na pinolu stroje, jehož příklad je na obrázku níže. Obrázek 17 - Horizontální vyvrtávací stroj [8] 9.1 Analýza frézovacího zařízení Všechny funkční prvky frézovacího zařízení jsou uloženy uvnitř tělesa. Těleso udává základní tvar zařízení, umožňuje upnutí zařízení ke stroji a musí být navrženo tak, aby bylo zařízení smontovatelné. Přímo ve středu tělesa a zároveň zařízení se nachází hřídel, která slouží pro přenos točivého momentu od vřetena stroje. Hřídel je uložena do valivých ložisek a přenáší otáčky dál na pracovní vřetena. 32

33 Příkladem zařízení na frézování T-drážek je výrobek Waldrich Coburg, který je umístěný na smykadle portálového stroje (obrázek 18). Toto konkrétní zařízení obsahu tři pracovní vřetena, do kterých se upíná nástroj pro frézování. Prostřední vřeteno je roztáčeno přímo od vřetena stroje a další dvě od ozubeného převodu. Obrázek 18 - Výkres frézovací hlavy Coburg firmy Waldrich Pracovní vřetena jsou, stejně jako hřídel, uložena do valivých ložisek. Valivá ložiska musí v tomto případě přenášet i axiální zatížení. Při tomto řešení je vhodné volit kuželíková ložiska nebo kuličková ložiska s kosoúhlým stykem. Kvůli silám, které při obrábění vznikají jsou na uložení vřetene kladeny velké nároky. Ozubené převody napomáhají k plynulému chodu zařízení, což je při přesném obrábění nezbytné. Kola musí být dobře mazána, a tak je tento prostor utěsněn například hřídelovými těsnícími kroužky. Pracovní vřetena jsou opatřena dutinou pro upnutí frézovacího nástroje a unášecími kameny. Je nutné, aby byl frézovací nástroj v dutině dobře upevněn. Velmi důležitým faktorem při návrhu zařízení jsou požadované parametry a provozní podmínky. Od toho se pak odvíjí velká část návrhu. Důležitým parametrem, který do velké míry ovlivní návrh a velikost zařízení je maximální rozteč t drážek, které má zařízení vyrobit. Zařízení by mělo být co nejvíce univerzální, a proto by mělo umět obrábět drážky s různou roztečí. Proto je opatřeno natáčecím mechanismem, který umožní to, že se zkrátí vzdálenost mezi pracovními vřeteny ve směru pohybu zařízení při obrábění. 33

34 9.1.1 T-drážky a jejich výroba T drážky se vyrábějí především za účelem upínání. Najít je můžeme na různých pracovních plochách a přípravcích. Pomocí těchto drážek a šroubů s T hlavou a upínek se upínají například obrobky na stoly obráběcích strojů. T-drážky se frézují nejprve kotoučovou frézou, při čemž vznikne držka tvaru U požadované hloubky a poté se dokončí T tvar příslušným nástrojem pro frézování T-drážky. Tímto způsobem se zajistí dobrý odvod třísek a delší životnost nástroje. Nástrojem je korunková fréza. Obrázek 19 - Frézovací nástroj pro T-drážky [22] Obrázek 20 - Obrábění T drážky [18] Drážky slouží k upínání předmětů o různé velikosti a hmotnosti, od toho se odvíjí i rozměry šroubů, aby nedošlo k uvolnění. Rozměry drážek tedy odpovídají velkosti šroubů. Obrázek 22 - Rozměry T drážek [8] Obrázek 21 - T drážka [8] 34

35 9.2 Zadané parametry Pro řešení úlohy byly zadány tyto požadované parametry. Z těchto hodnot je vycházeno při návrhu všech částí frézovacího zařízení. Převod mezi vřeten frézovacího stroje a vřetenem zařízení 1 : 1,2 Počet pracovních vřeten 2 Max otáčky vřetene zařízení n max /min Výkon na vřetenu od otáček 895/min P 2 15 kw Maximální točivý moment na vřetenu od otáček 895/min M Nm Upínací dutina vřetene ISO 40 Životnost 4000 hod Max řezné síly na vřetenu zařízení Tečná složka F 6667 N Radiální složka F R 5333 N Axiální složka F A 4000 N Tabulka 1 - Zadané parametry Zátěžné stavy Stav Poměrná doba běhu q [-] Moment [Nm] Otáčky [min -1 ] Průměr nástroje D F [mm] Řezné síly [N] F F R F A 1 0, , Tabulka 2 - Zátěžné stavy Řezní síly působí v místě nástroje. To se dle zadání nachází ve vzdálenosti 166 mm od pracovního vřetena po ose Y. Pro úplnost je zadání doplněno o obrázek. Viz příloha. 35

36 9.3 Návrh soukolí Pro návrh soukolí je použit program KISSSoft. Při zvolení základních parametrů pro výpočet se vychází ze zadaných hodnot. Ostatní hodnoty jsou voleny tak, aby se dosáhlo co nejlepších výsledků. Jelikož zařízení bude mít dvě pracovní vřetena, soukolí se bude skládat z jednoho hnacího kola a dvou hnaných. Základní parametry pro výpočet: Obrázek 23 - Vstupní parametry pro návrh soukolí z počet zubů n rychlost otáček a osová vzdálenost m modul a úhel záběru b úhel sklonu zubů b šířka kol i = 1,2 převodový poměr l h = 4000 hod životnost Pro ozubená kola je zvolen materiál ČSN Mazacím médiem je olej. 36

37 Obrázek 24 - Návrh soukolí v programu KISSSoft Obrázek 25 - Výsledky pro návrh soukolí Programem jsou pro zvolené hodnoty vypočteny rozměry ozubených kol, přepočtena korekce soukolí a ověřeno, zda návrh vyhovuje z hlediska bezpečnosti. Ve výsledcích, které jsou program generovány, jsou hodnoty bezpečnosti u obou kol větší než minimální požadovaná bezpečnost 2. Tento návrh je tedy vyhovující. S výsledky tohoto návrhu se dále pracuje při dalších výpočtech. 9.4 Návrh pracovního vřetene a jeho uložení Návrh je opět řešen pomocí programu KISSSoft, jehož prostředí umožňuje na základě zadaných parametrů ověřit zvolená ložiska a zároveň vypočítat deformace vřetene. Sestavený model pro výpočet je zatížen řeznými silami ze zadání. Program také umožňuje načíst ozubené kolo z předchozího návrhu, která je tedy zatíženo zadaným silovým momentem M 2 při otáčkách n 2. 37

38 Ložiska jsou ověřena z hlediska životnosti a také z hlediska teplotní stability při chodu zařízení. Na vřetenu je stanovena maximální deformace způsobená zatížením sil (F, F R, F A ) v místě nástroje a také průběh napětí, což umožňuje u vřetena ověřit bezpečnost. Materiál vřetene je ČSN Zvolená ložiska: SKF X/Q SKF X/Q průměr hřídele d [mm] průměr díry D [mm] Šířka B [mm] Tabulka 3 - Zvolená ložiska pro uložení vřetene Obrázek 26 - Model pro návrh uložení vřetene v programu KISSSoft 38

39 Obrázek 27 - Výsledky návrhu uložení vřetene Životnost ložisek Z výsledků vyplívá, že životnost ložisek je vyšší než 4000 hodin, což znamená, že z hlediska životnosti tyto ložiska vyhovují. Dále je z výsledku známá hodnota minimální bezpečnosti vřetena. V tomto výpočtovém modelu je zjišťována statická a únavová bezpečnost v místě řezu A-A. To znamená, že výsledky bezpečnosti jsou aktuální vždy jen pro jedno místo na vřetenu. V rámci návrhu jsou ověřena různá místa vřetene, kde se bezpečnost pohybuje kolem hodnoty 3 a vždy je vyšší než minimální požadovaná hodnota 2. Místě řezu, který je na obrázku odpovídá hodnota 3, Teplotně stabilní otáčky Jak je výše zmíněno, programem jsou při výpočtu zároveň ověřeny teplotně stabilní otáčky. To jsou maximální otáčky, při kterých je zaručena teplotní stabilita ložisek teplota se při chodu zařízení zastaví na určité přípustné hodnotě a dále se nezvyšuje. Teplotní podmínky a způsob mazání frézovacího zařízení Obrázek 28 - Způsob mazání ložisek 39

40 Zatěžovací stavy Obrázek 29 - Zatěžovací stavy Teplotně stabilní otáčky pro jednotlivé stavy 1. stav: 2. stav: Obrázek 30 - Výsledky teplotně stabilních otáček pro 1. stav Obrázek 31 - Výsledky teplotně stabilních otáček pro 2. stav Pro ověření jsou porovnávány výsledné otáčky s provozními otáčkami zátěžných stavů ze zadání. Výsledné maximální otáčky teplotní stability jsou pro oba stavy vyšší a tím pádem zvolená ložiska vyhovují. 40

41 9.4.3 Výpočet deformace vřetena v programu KISSSoft Od zadaného zatížení je vypočteno maximální posunutí 0,031 mm. Z grafu je vidět v jakém místě dojde na vřetenu k největšímu posunutí. To je na konci vřetena. Podpěry jsou v místě ložisek. V tomto případě program neuvažuje tuhost ložisek. Obrázek 32 - Graf deformace vřetena Výpočet deformace vřetena metodou konečných prvků Tento výpočet je proveden pomocí programu Siemens NX. Je využito vytvořeného modelu vřetena, který je v prostředí simulace síťován 3D sítí a je simulováno zatížení vřetene řeznými silami. Při simulaci je vřeteno podepřeno v místě ložisek. A zatížení je zjednodušeno na jednu výslednici F V, která je součtem jednotlivých složek řezné síly. Velikost elementů sítě je 2 mm. Výpočet výsledné síly F V : F " = F % & + F & = 5333 & & = 8537,5 N F R Radiální složka síly F tečná složka síly 41

42 Obrázek 33 - Deformace vřetena MKP Touto metodou je snadno zjištěno, jaký bude mít vliv deformace vřetena na posunutí nástroje, který je do něj upnutý. Kužel, který je vidět na obrázku a spojuje dutinu vřetena a bod, kde působí řezné síly, představuje v tomto případě absolutně tuhý nástroj. Z výsledků je zřejmé, že maximální deformace je v místě působení řezných sil. To je 0,0219 mm. Kvalita prvků Před výpočtem je ověřena 3D síť funkcí kvalita prvků. To znamená zjistit, zda příprava pro simulaci proběhla správně a jestli bude program vyhodnocovat výsledky. Srovnání Obrázek 34 - Kvalita prvků MPK Dle výpočtu MKP došlo na vřeteni k menší deformaci než při výpočtu v programu KISSSoft. Je pravděpodobné, že k tomuto rozdílu došlo z důvodu podepření ložisek. MKP model je podepřen v celé šířce ložisek, naproti tomu model v KISSSoft po délce vřetene pouze ve dvou bodech. 42

43 9.5 Návrh uložení hřídele Zde je použito stejného postupu jako u návrhu uložené vřetene, jedná se tedy opět o program KISSSoft, kde jsou navoleny jednotlivé prvky výpočtového modelu a zadány jejich rozměry. Rozměry ozubeného kola jsou znovu získány načtením kola v programu z již hotového návrhu soukolí. Materiál hřídele je ČSN Kolo musí být zatíženo odpovídajícím momentem M 1. Zvolená ložiska: M 0 = 2 M & = = 403 N 3 5 h5 :; <,=> 5 z 1 počet zubů na kole 1 z 2 počet zubů na kole 2 h účinnost převodu n 1 = 741 min -1 SKF 6016 SKF 6014 počet otáček za minutu z předchozího návrhu průměr hřídele d [mm] průměr díry D [mm] Šířka B [mm] Tabulka 4 - Zvolená ložiska pro uložení hřídele Obrázek 35 - Model pro výpočet uložení hřídele v programu KISSSoft 43

44 Obrázek 36 - Výsledky pro návrh uložení hřídele Životnost zvolených ložisek je větší než 4000 hodin 9.6 Návrh prvků pro přenos momentu Aby bylo zaručeno, že otáčky od stroje budou přeneseny na pracovní vřetena přesně tak, jak je požadováno, musí být zajištěno, že nedojde mezi jednotlivými rotačními členy za chodu k protočení. Za tímto účelem jsou použita pera. K návrhu per je použit program Autodesk Inventor, jehož prostředí umožňuje ověřit, zda zvolené pero vyhovuje a navrhnout jeho délku. Použita pera dle normy ISO 2491 B Pera mezi vřetenem stroje a hřídelí Zde jsou požita dvě pera, která jsou montována proti sobě. Vstupní parametry jsou zřejmé z obrázku. n počet otáček za minutu T kroutící moment d průměr hřídele N počet per p A dovolený tlak t A dovolené napětí ve smyku Obrázek 37 - Návrh pera vřeteno hřídel 44

45 Výsledné hodnoty: b šířka pera l délka pera h výška pera s bezpečnost Pero mezi hnaným kolem a vřetenem Zde jsou oproti předchozímu zvoleny jinak zvoleny tyto vstupy: n počet otáček za minutu d průměr hřídele T kroutící moment N počet per Výsledná délka pera je 36 mm Obrázek 38 - Návrh pera hnané kolo - prac. vřeteno Pero mezi hřídelí a hnacím kolem Stejným způsobem jako předchozí dva návrhy pera, je řešen i návrh pera mezi hřídelí a hnacím kolem. Parametry zadávané pro vstup výpočtu: n = 741 min -1 T = 403 Nm d = 70 mm N = 1 Výsledné rozměry pera: b = 16 mm h = 11 mm počet otáček za minutu kroutící moment průměr hřídele počet per 45 šířka pera výška pera l min = 39,66 mm l = 40 mm délka pera

46 9.7 Model 3D model je vytvořen v programu Siemens NX. Obrázek 39 - Model 01 Obrázek 40 - Model 02 46